车用驱动技术 课件 3

张硕北京理工大学机械与车辆学院电传动课题组

功率电子与变换技术目录CONTENTS1功率半导体器件2整流技术3逆变技术目录CONTENTS1功率半导体器件金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）1.1随着半导体功率开关器件的不断发展，对电压、电流、功率以及频率进行控制的成本不断降低。同时，随着集成电路、微处理器在控制电路中的使用，控制的精度大大提高。功率半导体器件如金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）在永磁同步电机中得到了广泛应用，本节重点描述这两种功率半导体器件的结构和工作原理。金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）1.11.MOSFET的结构与类型金属氧化物场效应晶体管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor，MOSFET）是一类只需低电压即可控制开通、关断的场效应晶体管。主要由三个电极组成：源极（Source）、漏极（Drain）和栅极（Gate）。其基本结构包括一个半导体基底，其中包含一个通过电压控制的导电沟道。根据沟道中主要载流子的类型，沟道可以是N型的（以电子为主要载流子）或P型的（以空穴为主要载流子）。金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）1.12.MOSFET的工作原理MOSFET是一种可控的电流开关，通过调整在门极上施加的电压，可以控制导电通道的电阻，从而调节通过MOSFET的电流。当没有在门极上施加电压时，绝缘层中的载流子无法通过，形成一个绝缘层。这时，源极和漏极之间没有电流流动，MOSFET处于关闭状态；当在金属门极上施加正电压时，会在绝缘层下形成一个电场。这个电场会影响绝缘层下的半导体，导致半导体中的自由电子或空穴被推向绝缘层中。从而使MOSFET处于导通状态。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）1.2绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）具有小的输出电流，又具有较低饱和压降和高耐压值特点。1．IGBT的结构与类型IGBT的基本结构由三个主要区域组成：N型沟道，P型底层，以及在两者之间的氧化物绝缘层。N型沟道和P型底层形成了晶体管的主体，而氧化物绝缘层则在栅极和沟道之间形成绝缘隔离。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）1.22．IGBT的基本工作原理导通阶段：IGBT的导通过程始于栅极施加正电压时。这个正电压击穿了栅极和N型沟道之间的氧化物绝缘层，形成电子注入区域。载流子的存在形成了一个导电通道，允许电流自源极流向漏极，使得器件处于导通状态。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）1.22．IGBT的基本工作原理截止阶段：当栅极的电压变为负值或接近零时，栅极和N型沟道之间的绝缘层恢复其正常状态，电子注入区域消失。无法再形成有效的导电通道，导致电流的截止。在这个状态下，IGBT处于高阻态，不再允许电流流动。目录CONTENTS2整流技术单相桥式二极管电容滤波整流电路2.11．电路结构两个桥臂的四个整流二极管VD1、VD2、VD3和VD4；电容器C，连接在整流电路的输出端，用于滤波，它充当储能装置；负载电阻R，电阻模拟了实际应用中的负载。单相桥式二极管电容滤波整流电路结构单相桥式二极管电容滤波整流电路2.12．工作原理（1）正半周：在正半周，当输入电压Us的极性使得VD1和VD4导通，电流通过它们流向电容器C和负载R。电容器C开始充电，同时电流通过负载R，为负载提供电能。（2）负半周：在负半周，当输入电压Us的极性反转，使得VD2和VD3导通，电流通过它们流向电容器C和负载R。电容器C继续充电，而负载R仍然接收电能。单相桥式二极管电容滤波整流电路2.12．工作原理（3）电容滤波效果：由于电容器C的存在，它充当了一个能够存储电荷并平滑电流的元件。这有助于减小输出电压的脉动，提供相对稳定的直流电压给负载R。（4）负载工作：负载R在整个过程中都接收到相对平稳的电能，这是通过整流和电容滤波操作实现的。单相桥式二极管电容滤波整流电路2.12．工作原理假设交流电压Us为幅值Ud的单相正弦交流电压源，那么经过单相桥式整流器的电压波形和滤波后的电压波形如图所示。整流滤波电压整流电压交流电源电压三相桥式二极管电容滤波整流电路2.21.电路结构包括六个整流二极管VD1、VD2、VD3、VD4、VD5和VD6，构成一个桥式整流电路，允许电流单向流动；电容器C，用于平滑输出电压；负载电阻R。整个电路的输入电压为三相对称电压源UA、UB、UC，是一组相位差120°的对称交流电压。三相桥式二极管电容滤波整流电路结构三相桥式二极管电容滤波整流电路2.22．工作原理（1）每相相电压的极大值和极小值的区间各占120°。在整个电压周期内，每个相的电压都经历了从零到峰值再到零的变化，而且每两个相电压之间的相位差为120°。（2）在三相桥式整流电路中，当某相相电压处于极大值区间时，该相电压连接桥臂的共阴极二极管导通；而在该相相电压处于极小值区间时，该相电压连接桥臂的共阳极二极管导通。三相桥式二极管电容滤波整流电路2.22．工作原理（3）在整个电压周期内，6六只个功率二极管按照指定的顺序导通，导通次序为VD5、VD6→VD6、VD1→VD1、VD2→VD2、VD3→VD3、VD4→VD4、VD5。确保电流的连续性和稳定性。（4）负载R在滤波器减小电流脉动的作用下，获得了相对稳定的负载电压。这意味着电容滤波整流电路成功减小了电流的脉动成分。三相桥式二极管电容滤波整流电路2.22．工作原理假设三相对称电压源Us的每相电压为是幅值为Ud的正弦波，整流二极管的导通压降为0，那么经过三相桥式整流器的电压波形和滤波后的电压波形如图所示。整流滤波电压整流电压三相交流电源电压目录CONTENTS3逆变技术脉冲宽度调制（PWM）原理3.1脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，PWM）是一种电子技术，通过调整脉冲信号的宽度来实现对模拟信号的模拟。允许系统高效模拟和控制模拟信号，为各种应用提供了精确的电能转换和控制手段。1．PWM信号的类型及其占空比PWM信号是一串频率和幅度固定而脉冲宽度变化的脉冲。在PWM周期内，每个脉冲的幅度是固定不变的，但是脉冲的宽度随着调制信号的不同而发生变化。脉冲宽度调制（PWM）原理3.1存在两种基本类型的PWM信号，即中心对称型和边沿对称型。将PWM信号的脉冲宽度与其周期之比，称为PWM信号的占空比，即中心对称型PWM信号和边沿对称型PWM信号脉冲宽度调制（PWM）原理3.1面积等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲对惯性环节的输出响应波形基本相同。正弦波脉冲2.正弦波PWM（SPWM）发生原理SPWM脉冲单相电压源逆变器工作原理及其脉冲宽度调制技术3.21.全桥式单相电压源逆变器的电路结构同一桥臂的两个功率半导体开关不能同时导通，否则会造成桥臂的直通而导致直流电源短路。全桥式单相电压源逆变器电路单相电压源逆变器工作原理及其脉冲宽度调制技术3.22.两个功率半导体开关的工作状态开关状态负载电压导通截止uoS1、S4S2、S3UdS2、S3S1、S4-UdS1、S3S2、S40S2、S4S1、S30单相电压源逆变器工作原理及其脉冲宽度调制技术3.23.双极性SPWM调制技术单相双极性SPWM技术的脉宽调制原理如图所示。载波信号uc为等腰三角波，调制信号ur为正弦波。信号波和载波单相电压源逆变器工作原理及其脉冲宽度调制技术3.23.双极性SPWM调制技术当调制信号大于载波信号时，即ur＞uc，给S1、S4导通信号，给S2、S3关断信号，若io＞0，则S1、S4通，若io＜0，则VD1、VD4通，此时输出电压uo=Ud。信号波和载波单相电压源逆变器工作原理及其脉冲宽度调制技术3.23.双极性SPWM调制技术当调制信号小于载波信号时，即ur＜uc，给S2、S3导通信号，给S1、S4关断信号，若io＞0，则VD2、VD3通，若io＜0，则S2、S3通，此时输出电压uo=-Ud。输出电压波形如图所示。输出电压波形三相电压源逆变器工作原理及其脉冲宽度调制技术3.31.全桥式单相电压源逆变器的电路结构三相电压源逆变器的标准电路如图所示。它由直流输入滤波电容和三个两开关串联的桥臂组成，每个功率半导体开关并联了一个用于感性负载续流的反向二极管。全桥式三相电压源逆变器电路三相电压源逆变器工作原理及其脉冲宽度调制技术3.32.功率半导体开关的工作状态使用三相电压源逆变器时，共存在8个有效的开关模式。三相电压源逆变器工作原理及其脉冲宽度调制技术3.33.三相SPWM技术（1）三相控制信号共用一1个三角波载波信号uc。（2）调制信号为三3个相位依次差120°的正弦波ur1、ur2和ur3，载波信号和调制信号如图所示。信号波和载波三相电压源逆变器工作原理及其脉冲宽度调制技术3.33.三相SPWM技术（3）U、V、W各三相各自功率开关的控制规律相同，以U相为例：当ur1＞uc时，上桥臂S5导通，下桥臂S6关断，则uUO=Ud/2；